作物模型與生態(tài)因子在果樹生長(zhǎng)發(fā)育中的應(yīng)用研究進(jìn)展

孫武軍 劉海琪 馬瑞 何代弟 袁新濤 張楠楠

(塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

引言

作物模型是作物生長(zhǎng)模擬模型的簡(jiǎn)稱，作物生長(zhǎng)模擬模型是應(yīng)用系統(tǒng)分析和計(jì)算機(jī)技術(shù)，綜合作物生理、生態(tài)和農(nóng)學(xué)等學(xué)科研究成果，將作物與其生態(tài)環(huán)境因子作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的定量分析和生長(zhǎng)模擬研究[1]，在果樹生長(zhǎng)發(fā)育方面，作物模型可用于預(yù)測(cè)果實(shí)的生長(zhǎng)、發(fā)育、成熟時(shí)間以及產(chǎn)量的變化。

在應(yīng)用作物模型時(shí)，也需要考慮不同作物在生長(zhǎng)過程對(duì)生態(tài)因子的響應(yīng)。以便選擇合適的模型參數(shù)，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的生長(zhǎng)階段進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)。因此，本文將從作物模型和生態(tài)因子對(duì)果樹生長(zhǎng)發(fā)育的影響兩方面介紹作物生長(zhǎng)模型的研究進(jìn)展。

1 作物模型在果樹生長(zhǎng)發(fā)育中的應(yīng)用研究進(jìn)展

針對(duì)多年生的果樹，在選擇作物模型時(shí)需要更注重作物的生長(zhǎng)周期和生長(zhǎng)環(huán)境的變化，以便適時(shí)地調(diào)整和優(yōu)化生長(zhǎng)模型，確保作物的穩(wěn)定發(fā)育?；诖藝鴥?nèi)外學(xué)者使用了以下3種作物模型進(jìn)行研究。

1.1 WOFOST模型

WOFOST(WOrld FOod STudies)是一個(gè)用于模擬作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的模型，是由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)的研究人員基于SUCROS模型開發(fā)，通過作物的生理和生態(tài)機(jī)制使用氣候、土壤和管理參數(shù)來量化作物生長(zhǎng)和發(fā)育的過程改變輸入作物參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同種類作物的時(shí)序模擬。

程楊等[2]構(gòu)建了基于WOFOST模型的CIPSP系統(tǒng)，通過沃柑各發(fā)育期積溫、干物質(zhì)分配系數(shù)、葉面積指數(shù)、冠層反射率等參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行完善，在沃柑試驗(yàn)田成功預(yù)測(cè)其產(chǎn)量，對(duì)精準(zhǔn)化管理柑橘智能種植提供技術(shù)支撐，在軟件技術(shù)、生產(chǎn)管理和信息系統(tǒng)等方面進(jìn)行創(chuàng)新；白鐵成等[3]為定量化分析溫度、光照和水分對(duì)棗樹生長(zhǎng)的影響，通過校正WOFOST模型在田間和縣域尺度研究成齡駿棗樹，并得到較高的模擬精度，為果園管理和棗樹生長(zhǎng)耦合影響的定量化分析提供了新思路。Wang等[4]研究校正的WOFOST模型在梨園進(jìn)行了修剪處理的田間試驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和評(píng)估修改后的模型。改進(jìn)后的WOFOST模型能更好地描述夏季修剪對(duì)梨樹生長(zhǎng)、產(chǎn)量和土壤水分的影響，為果樹生長(zhǎng)的數(shù)值模擬和土壤水分定量評(píng)價(jià)提供參考。

1.2 CropSyst模型

CropSyst(Cropping Systems Simulation Model)是一種常見的作物生長(zhǎng)模擬模型，廣泛用于多年和多作物，模型中的水分收支包括降水、灌溉、徑流、雨水截留、水分入滲、土壤剖面水分再分配、作物蒸騰和蒸發(fā)。該模型根據(jù)氣象信息的可用性，作物ET由全冠層的作物系數(shù)和冠層葉面積指數(shù)確定的地面覆蓋度確定。作物發(fā)育是基于達(dá)到特定生長(zhǎng)階段所需的熱時(shí)間來模擬的。其可以廣泛應(yīng)用于預(yù)測(cè)植物特性、土壤性質(zhì)、天氣條件和農(nóng)業(yè)實(shí)踐的影響，包括與作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量相關(guān)的灌溉管理。

Samperio等[5]通過應(yīng)用CropSyst模型研究日本李在不同的天氣變化、不同的修剪強(qiáng)度以及使用具有不同活力和成熟時(shí)間的2個(gè)品種下的作物用水量，通過全冠層作物系數(shù)(Kc，fc)和最大植物水力傳導(dǎo)率(Cmax)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，并成功預(yù)測(cè)了日本李子樹的產(chǎn)量、水分利用效率和作物系數(shù)。Marsal等[6]通過CropSyst模型來確定蘋果樹的灌溉需求和K的準(zhǔn)確性預(yù)測(cè)，使用果樹的光攔截和吸水子模型組件預(yù)測(cè)灌溉需求，成功模擬了蘋果樹的產(chǎn)量和作物系數(shù)，將其用于調(diào)節(jié)果園的灌溉管理。Khozaei等[7]在葡萄園設(shè)置不同的灌溉時(shí)間對(duì)葡萄生長(zhǎng)發(fā)育的影響，利用作物系統(tǒng)模擬模型確定葡萄藤的灌水量和灌水時(shí)間，并對(duì)雨養(yǎng)葡萄補(bǔ)充灌溉進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析；結(jié)果表明，CropSyst模型可以用于實(shí)際管理中，以及在不同的天氣條件下的葡萄產(chǎn)量的預(yù)測(cè)具有良好的可接受程度，為當(dāng)?shù)刂贫ê侠淼霓r(nóng)業(yè)政策提供理論依據(jù)。

1.3 STICS模型

STICS(Simulateur mulTIdisciplinaire pour les Cultures Standards)是一種土壤植物作物模型，用于模擬作物生長(zhǎng)和發(fā)展、土壤水分和養(yǎng)分運(yùn)輸，以及作物和土壤的相互作用。用于評(píng)估不同管理實(shí)踐對(duì)作物產(chǎn)量、土壤質(zhì)量和環(huán)境健康的影響，以及對(duì)氣候變化和土地利用變化的響應(yīng)。

自1996年以來，Coucheney等[8]開發(fā)了一種模擬各種類型作物(一年生和多年生、草本和木本)的水、C和N平衡的方法。到目前為止，Garcia等[9]研究氣候變化對(duì)多年生葡萄樹的影響，將通用作物模型STICS模型應(yīng)用于法國大型葡萄園規(guī)模的葡萄樹，然后將其應(yīng)用于相同規(guī)模的氣候變化影響，使葡萄樹的管理適應(yīng)氣候變化。Constance Demestihas等[10]通過STICS模型在年度尺度上考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)蘋果園土壤氮素供應(yīng)，氣候調(diào)節(jié)，水分調(diào)節(jié)對(duì)蘋果生長(zhǎng)造成的影響，分析STICS模型對(duì)其最敏感且對(duì)于模型適應(yīng)蘋果的3種參數(shù)：田間測(cè)量參數(shù)(最大樹高、不同物候期)，文獻(xiàn)查找參數(shù)(最佳生長(zhǎng)、限制溫度)，特定數(shù)據(jù)(不同種植制度)對(duì)其3種參數(shù)方式進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，研究表明，LAI的相對(duì)均方根誤差小于30%。果實(shí)生物量或地上生物量的模型效率達(dá)到0.9。

2 生態(tài)因子在果樹生長(zhǎng)發(fā)育中的應(yīng)用研究進(jìn)展

通過調(diào)整光照、溫度、水分、養(yǎng)分等生態(tài)因子的輸入和參數(shù)，作物生長(zhǎng)模擬模型可以預(yù)測(cè)作物在不同條件下的生長(zhǎng)和產(chǎn)量表現(xiàn)。

2.1 光照因子

果樹的形態(tài)和生理功能受到光照的影響，因?yàn)楣庹詹粌H是果樹進(jìn)行光合作用的能量來源，還是其形態(tài)和生理功能的重要環(huán)境因子。如果光照不足，果樹內(nèi)部的養(yǎng)分供應(yīng)會(huì)受到影響，導(dǎo)致葉片黃化或早期死亡，同時(shí)光合速率也會(huì)受到限制。相反，如果光照過剩，就會(huì)造成果樹脅迫，引起光化學(xué)效率的降低，出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象。魁小花等[11]通過不同光照強(qiáng)度對(duì)葡萄藤進(jìn)行其生長(zhǎng)發(fā)育的研究，通過實(shí)測(cè)和分析表明，不同的光照強(qiáng)度對(duì)其花芽率和葉芽率有顯著影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)補(bǔ)光3h處理的總酚、類黃酮和單寧含量在成熟期均顯著增加，從葡萄數(shù)枝條基部開始，隨著枝條生長(zhǎng)，節(jié)間粗度越來越小，適宜的補(bǔ)光時(shí)長(zhǎng)利于果樹枝條及枝條粗度變化，進(jìn)而對(duì)果樹生長(zhǎng)冠層結(jié)構(gòu)、樹高、樹形等造成影響。

2.2 溫度因子

溫度是果樹生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因子之一，對(duì)果樹的生理生化過程及產(chǎn)量品質(zhì)等都有著重要影響?；ǚ勖劝l(fā)是果樹繁殖過程中的關(guān)鍵步驟，溫度是影響花粉萌發(fā)的主要因素之一。果樹花期倒春寒和干熱風(fēng)嚴(yán)重影響杧果的授粉及著果，果樹開花期對(duì)溫度的要求最為嚴(yán)格，溫度脅迫使花粉敗育及花粉與柱頭發(fā)育不同步現(xiàn)象增多，不同程度上降低了果樹花粉萌發(fā)和花粉管長(zhǎng)度，劉馨語[12]等通過不同溫度對(duì)杧果的影響研究其花粉萌發(fā)狀態(tài)，由此對(duì)杧果的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行直觀了解。研究表明，花粉萌發(fā)率隨溫度升高呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，28℃時(shí)花粉萌發(fā)率達(dá)到峰值。在果樹花期時(shí)，溫度過高或過低都會(huì)對(duì)果樹的繁殖過程產(chǎn)生不良影響。過低的溫度會(huì)導(dǎo)致新梢生長(zhǎng)受阻，從而影響果樹的樹形和產(chǎn)量，過高的溫度則會(huì)引發(fā)果樹光合作用的脅迫，造成葉片黃化、凋落等現(xiàn)象，進(jìn)而影響果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量。因此，果樹的栽培管理應(yīng)根據(jù)不同品種、生長(zhǎng)階段和氣候條件等因素，合理調(diào)整溫度等環(huán)境因素，以促進(jìn)果樹的健康生長(zhǎng)和高產(chǎn)高質(zhì)。

2.3 水分因子

水分對(duì)果樹生長(zhǎng)發(fā)育有顯著影響，隨著水分脅迫的加劇，會(huì)制約作物株高和葉面積的生長(zhǎng)，過度的缺水會(huì)使植物細(xì)胞失水，不能恢復(fù)，致使花芽量、坐果率減少。土壤水分虧缺可以抑制營養(yǎng)過剩生長(zhǎng)，減少枝條的生長(zhǎng)，對(duì)果樹冠層結(jié)構(gòu)、樹形、樹高造成不利影響。不同的灌溉方式，對(duì)果實(shí)品質(zhì)的影響也不相同，張倩等[13]聚焦在不同的灌溉條件下對(duì)庫爾勒香梨果實(shí)的影響，研究表明，傳統(tǒng)的大水漫灌方式水分利用率低，而滴灌和噴灌能夠更有效地促進(jìn)果樹生長(zhǎng)和改善果實(shí)品質(zhì)，且滴灌效果更好?？茖W(xué)供水能夠保證果樹代謝活動(dòng)的正常進(jìn)行，從而提高產(chǎn)量和品質(zhì)，增強(qiáng)樹勢(shì)。溝灌與滴灌處理的脫萼率增幅較大，漫灌脫萼率增長(zhǎng)率較低，滴灌處理的宿萼果縱橫徑，脫萼果的縱橫徑、果實(shí)品質(zhì)均高于溝灌處理與大水漫灌，從而對(duì)果樹產(chǎn)量造成影響。

2.4 養(yǎng)分因子

土壤中氮磷鉀是果樹生長(zhǎng)必需的礦質(zhì)養(yǎng)分，合理施用氮磷鉀肥可促進(jìn)同化物向果實(shí)中轉(zhuǎn)運(yùn)，提升果實(shí)品質(zhì)。適量施用鉀肥可在一定程度上提高葉片光合能力，減少氮肥投入會(huì)明顯降低葉片的光合性能。王端等[14]在研究中探討了不同氮磷鉀配比對(duì)杏果實(shí)品質(zhì)的影響，從而更深入地了解其生長(zhǎng)發(fā)育狀況。研究發(fā)現(xiàn)，氮鉀配比的不同會(huì)顯著影響果實(shí)的質(zhì)地。隨著鉀肥用量的增加，果實(shí)的硬度、內(nèi)聚性、彈性、咀嚼性呈先增后減的趨勢(shì)。秋季基肥主要采用有機(jī)肥等長(zhǎng)效肥料，以補(bǔ)充樹體營養(yǎng)，恢復(fù)樹勢(shì)，提高花芽質(zhì)量?；ㄇ盎蚧ê笞贩蕜t以速效性氮磷為主，補(bǔ)充樹體貯藏營養(yǎng)的不足，保證開花整齊，提高坐果率，促進(jìn)根系生長(zhǎng)，增加新梢前期生長(zhǎng)量。至于膨果肥的施用，可在硬核期或果實(shí)膨大期進(jìn)行，以速效性鉀肥為主，這有助于促進(jìn)光合產(chǎn)物的合成與轉(zhuǎn)運(yùn)，從而提高果實(shí)的產(chǎn)量和品質(zhì)。

2.5 其他因子

除了上述光照、溫度、水分、養(yǎng)分等對(duì)果樹生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究以外，還有學(xué)者對(duì)栽植密度、大棚種植或自然種植、后期施肥與修剪等對(duì)果樹的生長(zhǎng)發(fā)育的影響也做了研究。這些研究成果表明，栽植密度對(duì)果樹的生長(zhǎng)發(fā)育有顯著的影響。過高或過低的栽植密度都會(huì)影響果樹的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。在大棚種植或自然種植環(huán)境下，果樹生長(zhǎng)的環(huán)境與室外種植存在差異，因此需要對(duì)不同環(huán)境下果樹的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)控和管理。此外，后期施肥和修剪也對(duì)果樹的生長(zhǎng)和產(chǎn)量具有重要影響，合理的施肥和修剪可以促進(jìn)果樹的營養(yǎng)吸收和分配，提高果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量。綜上所述，果樹的生長(zhǎng)發(fā)育不僅受到自然環(huán)境因素的影響，還受到人為管理因素的影響，只有在科學(xué)合理的管理下，才能實(shí)現(xiàn)果樹的高產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展。

3 存在問題

近年來，更多的專家學(xué)者在果樹生長(zhǎng)模擬技術(shù)上不斷地深入研究，果樹作物模型技術(shù)日趨完善，但仍存在諸多缺陷。主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

果樹模型技術(shù)雖然可以模擬果樹生長(zhǎng)的基本過程，但對(duì)于特定品種、特定地域的果樹生長(zhǎng)模擬，模型精度還需進(jìn)一步提高。

大部分相關(guān)研究?jī)H聚焦在果樹與水分利用上，對(duì)氮磷鉀肥的使用，冠層結(jié)構(gòu)、修剪程度的研究較少。

作物生長(zhǎng)受到的各種環(huán)境因素之間存在復(fù)雜的相互作用關(guān)系，不同生長(zhǎng)因子的相互作用可能會(huì)影響模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，而作物生長(zhǎng)模擬模型中往往只能考慮其中的一部分因素，這可能會(huì)導(dǎo)致模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性下降。

4 對(duì)策與展望

根據(jù)我國當(dāng)前在果樹生長(zhǎng)發(fā)育中應(yīng)用作物模型及生態(tài)因子的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有模型在適用性和應(yīng)用范圍上仍存在一些局限性。因此，在后續(xù)的模型研究中，應(yīng)該針對(duì)這些問題，向全面綜合化、系統(tǒng)化方向發(fā)展，以增強(qiáng)模型的適用性和擴(kuò)大生態(tài)因子在不同果樹上的應(yīng)用范圍。此外，為了提高模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，應(yīng)該考慮加入更多的控制因素，并通過環(huán)境控制等手段，減少環(huán)境因素對(duì)作物生長(zhǎng)的影響。如，加入考慮作物根系和土壤的因素，這些因素對(duì)于作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量具有重要的影響，可以提高模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。

在未來的研究中，為了進(jìn)一步提高果樹生長(zhǎng)發(fā)育模型的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)該開展多學(xué)科聯(lián)合研究，形成多學(xué)科交叉合作。這樣可以更好地挖掘和利用果樹生長(zhǎng)發(fā)育的生態(tài)因素，以實(shí)現(xiàn)果樹生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。在這方面，需要對(duì)影響果樹生長(zhǎng)發(fā)育的冠層結(jié)構(gòu)、修剪程度等生態(tài)因素進(jìn)行更加詳盡的數(shù)據(jù)采集和研究。此外，建立更加完善的作物計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)也是未來研究的重要方向之一，這樣有助于優(yōu)化管理果樹生長(zhǎng)發(fā)育的過程，實(shí)現(xiàn)果樹生產(chǎn)的高效、低耗、可持續(xù)發(fā)展。